一種高溫隔離電源裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種高溫隔離電源裝置，包括啟動電路模塊、PWM控制模塊、驅動模塊、反激輸出模塊、誤差放大模塊和光耦隔離模塊；啟動電路模塊為PWM控制模塊提供啟動電壓，PWM控制模塊輸出可控占空比至驅動模塊，驅動模塊調整占空比，驅動反激輸出模塊的開關管，反激輸出模塊的輸出是為井下電機供電的穩定直流電壓，直流輸出電壓經誤差放大模塊和光耦反饋模塊處理后，傳送至PWM控制模塊，形成一個閉合回路，保證整個電源裝置穩定運行。本發明采用基于高溫PWM控制芯片來設計中等功率高動態寬輸入隔離電源，通過光耦隔離芯片實現隔離，突破了傳統變壓器隔離方式，簡化了驅動電路。
【專利說明】
—種局溫隔罔電源裝直
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高溫隔離電源裝置，屬于旋轉導向系統井下供電【技術領域】。
【背景技術】
[0002]由于鉆井多為戶外，旋轉導向系統常常需要工作在井下幾千米的深井中，控制系統供電多利用井下渦輪發電機給系統供電，以節約能源和實現閉環控制。由于渦輪發電機所發出的電為交流電，不能直接供給于控制電路，故需要進行轉換，多采用開關電源以提供控制系統所需的穩定供電。
[0003]高溫隔離電源的核心在于寬輸入下電壓的穩定。國外有許多公司專業生產DC/DC模塊，技術相對成熟。GAIA公司新推出HTPS-15系列高溫DC/DC電源模塊，輸入電壓DC150V-300V，此模塊是專為測井儀器及設備提供能夠連續長期在高溫環境下工作的變換器。具有耐高溫、高精度、高穩定性及高可靠性等優點；PGDS50系列符合MIL-STD-704標準的瞬態/尖峰抑制模塊，此模塊可以接受最低輸入電壓至6V，可承受輸入電壓到60V?80V。
[0004]國內耐高溫DC/DC模塊功率相對都很小，由此可見大功率耐高溫DC/DC電源設計相對較難，國外鉆井技術發展比較先進，但是由于其對外實施技術封鎖，我國鉆井用電源技術發展較為緩慢，打破壟斷是當務之急。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決上述問題，提出了一種高溫隔離電源裝置，對三相發電機整流濾波輸出的電壓進行穩壓設計，實現36v、10w的AC/DC轉換輸出，并要保證隔離。
[0006]一種高溫隔離電源裝置，包括啟動電路模塊、PWM控制模塊、驅動模塊、反激輸出模塊、誤差放大模塊和光耦隔離模塊；
[0007]啟動電路模塊為PWM控制模塊提供啟動電壓，PWM控制模塊輸出可控占空比至驅動模塊，驅動模塊調整占空比，驅動反激輸出模塊的開關管，反激輸出模塊的輸出是為井下電機供電的穩定直流電壓，直流輸出電壓經誤差放大模塊和光耦反饋模塊處理后，傳送至PWM控制模塊，形成一個閉合回路，保證整個電源裝置穩定運行。
[0008]本發明的優點在于:
[0009](I)本發明采用基于高溫PWM控制芯片來設計中等功率高動態寬輸入隔離電源，通過光耦隔離芯片實現隔離，突破了傳統變壓器隔離方式，簡化了驅動電路；
[0010](2)結構簡單，體積小；
[0011](3)成本低，效率高；
[0012](4)輸出電壓穩定，高精度；
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是旋轉導向井下系統電源模塊框圖；
[0014]圖2是36v電源的啟動電路示意圖；
[0015]圖3是驅動電路示意圖；
[0016]圖4是反激輸出拓撲示意圖；
[0017]圖5是誤差放大與光耦隔離電路示意圖；
[0018]圖中:
[0019]1、啟動電路模塊2、PWM控制模塊3、驅動模塊
[0020]4、反激輸出模塊5、誤差放大模塊6、光稱隔離模塊
【具體實施方式】
[0021]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0022]旋轉導向井下系統中的電源供給來自渦輪三相發電機，經過三相全波整流濾波后的電壓在50v-150v之間波動，經過本發明裝置AC/DC開關電源模塊后轉換成36v直流電壓。此后，該電壓一部分經電源管理模塊轉換為±5v、±12v、±15v多路電壓，為電機控制系統供電；另一部分直接驅動IPM模塊，憑借電機控制系統控制IPM以實現控制電機轉速及定位。AC/DC模塊的電壓輸出波動直接影響控制精度和穩定性。
[0023]具體的，本發明是一種高溫隔離電源裝置，如圖1所示，包括啟動電路模塊1、PWM控制模塊2、驅動模塊3、反激輸出模塊4、誤差放大模塊5和光耦隔離模塊6。
[0024]啟動電路模塊I為PWM控制模塊2提供啟動電壓，PWM控制模塊2輸出可控占空比至驅動模塊3，驅動模塊3調整占空比，驅動反激輸出模塊4的開關管，反激輸出模塊4的輸出是為井下電機供電的穩定直流電壓，直流輸出電壓經誤差放大模塊5和光I禹反饋模塊6處理后，傳送至PWM控制模塊2，形成一個閉合回路，保證整個電源裝置穩定運行。
[0025]啟動電路t旲塊I結構如圖2所不，啟動電路t旲塊I是為PWM控制t旲塊2供電而設計，主要包括穩壓二極管、結型場效應管、兩個電阻、電容和正向二極管，電容耐壓值為50v，輸入電壓連接兩個電阻，兩個電阻的另一端分別接結型場效應管的柵極和漏極，同時，結型場效應管的柵極連接一個穩壓二極管，穩壓二極管的正向端接地，結型場效應管的源極接一個正向二極管的正極，二極管的負極接一個電容，PWM控制電路2核心部分采用的是高溫PWM控制器，為保證PWM控制電路2啟動，設計啟動電路模塊I。當電源裝置能穩定輸出后，將由輔助電源提供驅動以及PWM控制電路2的供電，啟動電路模塊I進入截止狀態，減小功耗。
[0026]PWM控制模塊2是本裝置的核心，開關電源的關鍵在于驅動開關管的PWM(脈沖寬度調制波形，PWM控制模塊2包括PWM控制器以及其外圍配置電路，其外圍配置電路包括RC電路、負反饋電阻網絡。
[0027]PWM控制器的反饋引腳接光耦隔離模塊6的輸出端，PWM控制器的輸出接驅動模塊3的輸入端，輸出PWM信號。
[0028]所選的PWM控制器是CHT-MAGMA，其內置基準電壓源，反饋電壓與片內參考基準電壓比較，形成門限判決電平，脈寬控制采用三角波比較法。反饋電壓影響占空比，通過調節占空比來穩定輸出。
[0029]反激輸出模塊4中所用的開關管是常斷型碳化硅JFET。需設計驅動電路驅動開關管。
[0030]驅動模塊3如圖3所示，包括升壓電路、兩級放大電路和推挽電路。
[0031]兩級放大電路、推挽電路的組成即包括四個三極管以及其配置電路
[0032]升壓電路包括兩個電阻、電容以及二極管，輸入的PWM信號連接至第一個電阻，第一個電阻另一端分別連接第二個電阻和二極管的負向端，第二個電阻的另一端連接至兩級放大電路，二極管的正向端連接穩壓二極管的負向端，穩壓二極管的壓降為2v，同時，穩壓二極管的負向端還連接一個電阻和一個電容，電容與穩壓二極管并聯，電阻的另一端連接8v的電壓源。
[0033]驅動模塊3的輸入是PWM控制模塊2輸出的PWM，經過驅動模塊3的兩級放大電路，再至推挽電路輸出到反激輸出模塊4的輸入端。
[0034]兩級放大電路包括兩個三極管，兩個三極管采用共射連接，推挽電路包括兩個三極管，采用NPN和PNP的三極管對稱連接。這樣既增大了驅動電流，也改善了開關管的誤操作，保證開關管完全工作在飽和區或者截止區，從而降低了交流開關損耗。
[0035]反激輸出模塊4如圖4所示，反激輸出模塊4包括反激變壓器、開關管、輸出電容、二極管；
[0036]反激變壓器繞組比例是1:1，磁芯采用的是鐵硅鋁材質的磁芯77190，開關管的柵極接驅動模塊3的輸出，開關管的漏極接反激變壓器的初始線圈，源極接地，反激變壓器的副邊線圈的同名端連接至二極管的正極，二極管的負向端是輸出端點，同時也連接輸出電容和輸出負載。反激變壓器的副邊線圈的異名端接輸出電容和輸出負載的另一公共端，輸出電容的正向端連接誤差放大模塊5的輸入端。
[0037]反激拓撲的優點是不需要次級輸出電感，也不需要復位繞組，在體積和成本上有明顯優勢。開關管導通時，反激變壓器存儲能量，負載電流僅由輸出濾波電容提供，開關管關斷時，反激變壓器儲存的能量傳送到負載以及對電容充電。
[0038]由于井下渦輪發電機的電壓波動較大，后端電路耐壓能力有限，其次，地線也會對輸出電壓的穩定度有較大影響，需對輸出進行電氣隔離。隔離電路一般有變壓器隔離和光耦隔離，變壓器隔離需對次級輸出的信號進行調理，考慮電路的簡化，本發明采用光耦隔離模塊6，光耦隔離模塊6如圖5所示，包括光耦隔離芯片、電阻、穩壓二極管、運算放大器。
[0039]反激輸出模塊4的輸出電壓連接至兩個電阻的公共端，其中一個電阻的另一端接一個穩壓二極管，穩壓二極管的負向端同時連接至運算放大器的負向端，另一個電阻的另一端連接至一個電阻，這個電阻與穩壓二極管的正向端共同連接置地線，運算放大器的正向端連接至接地電阻的另一端。同時，運算放大器的輸出端連接至運算放大器的負向端。運算放大器的輸出接至光耦隔離芯片輸入端的正向端，光耦隔離芯片輸入端的負向端接地。光耦隔離芯片的輸出端接至PWM控制模塊2。
[0040]其中，光稱隔離芯片的輸入端接的是誤差放大模塊5的輸出，光稱隔離芯片的輸出端接的是PWM控制模塊2的輸入端。
[0041]針對光耦隔離器件的線性溫漂特性，設計了前端誤差放大模塊5，誤差放大模塊5包括穩壓二極管、高精度電阻和運放電路，運放電路采用負反饋方式連接。反激輸出模塊4的輸出經過電阻分壓，與穩壓二極管的電壓進行差分放大送至運放電路，運放的輸出接至光耦隔離模塊6的光耦隔離芯片。輸出電壓的采樣信號經放大器差分放大，放大了輸出電壓的變化，從而減小溫漂影響。
[0042]本發明的高溫隔離電源裝置在旋轉導向裝置中有普遍的應用，旋轉導向裝置中電機驅動模塊、數據采集模塊、數據處理模塊等模塊的供電采用的均為本發明的電源裝置。隔離具體做法是渦輪發電機的供電、驅動電路、PWM控制模塊共地，輸出模塊為浮地，通過強電弱電隔離，保證輸出穩定和安全。
[0043]反激變壓器的導線尺寸根據單股導線的最大截面積的集膚效應來選擇，可通過多股并饒來減小漏感，確保初級繞組到次級繞組有較高的能量傳送比例，同時，也可以減小開關管漏極電壓的尖峰干擾。
[0044]工作過程:
[0045]渦輪電機提供的電壓作為反激拓撲的輸入，驅動電路的PWM控制開關管導通關斷，使變壓器存儲的能量傳遞到負載以及輸出電容上，輸出電壓取比例經誤差放大模塊5、光耦隔離模塊6傳遞到PWM控制模塊2，調節PWM控制模塊2的輸出，PWM控制模塊2的輸出接驅動模塊3，驅動電路接開關管。由此可見，從渦輪發電機作為輸入，到穩壓輸出，然后反饋回PWM控制模塊2，經驅動模塊3，反激輸出模塊4，構成了一個完整的閉合體系。如圖1所示。通過利用井下渦輪發動機的電壓自給自足給井下電機控制系統、數據采集處理系統以及通信系統等部分提供穩定的電壓，電源管理模塊根據各模塊的不同需求再轉化成相應的電壓，實現了旋轉導向系統井下高溫復雜環境穩定供電，保證了系統可靠地工作。
【權利要求】
1.一種高溫隔離電源裝置，包括啟動電路模塊、PWM控制模塊、驅動模塊、反激輸出模塊、誤差放大模塊和光耦隔離模塊； 啟動電路模塊為PWM控制模塊提供啟動電壓，PWM控制模塊輸出可控占空比至驅動模塊，驅動模塊調整占空比，驅動反激輸出模塊的開關管，反激輸出模塊的輸出是為井下電機供電的穩定直流電壓，直流輸出電壓經誤差放大模塊和光耦反饋模塊處理后，傳送至PWM控制模塊，形成一個閉合回路，保證整個電源裝置穩定運行。
2.根據權利要求1所述的一種高溫隔離電源裝置，所述的啟動電路模塊包括穩壓二極管、結型場效應管、兩個電阻、電容和正向二極管； 輸入電壓連接兩個電阻，兩個電阻的另一端分別接結型場效應管的柵極和漏極，結型場效應管的柵極連接穩壓二極管，穩壓二極管的正向端接地，結型場效應管的源極接正向二極管的正極，二極管的負極接電容，當電源裝置穩定輸出后，由輔助電源提供驅動以及PWM控制電路的供電，啟動電路模塊進入截止狀態。
3.根據權利要求1所述的一種高溫隔離電源裝置，所述的PWM控制模塊包括PWM控制器以及其外圍配置電路，其外圍配置電路包括RC電路、負反饋電阻網絡；PWM控制器的反饋引腳接光I禹隔離模塊的輸出端，PWM控制器的輸出接驅動模塊的輸入端,輸出PWM信號。
4.根據權利要求1所述的一種高溫隔離電源裝置，所述的驅動模塊包括升壓電路、兩級放大電路和推挽電路； 升壓電路包括兩個電阻、電容以及二極管，輸入的PWM信號連接至第一個電阻，第一個電阻另一端分別連接第二個電阻和二極管的負向端，第二個電阻的另一端連接至兩級放大電路，二極管的正向端連接穩壓二極管的負向端，穩壓二極管的負向端還連接一個電阻和一個電容，電容與穩壓二極管并聯，電阻的另一端連接電壓源；兩級放大電路包括兩個三極管，兩個三極管采用共射連接，推挽電路包括兩個三極管，采用NPN和PNP的三極管對稱連接；兩級放大電路、推挽電路還分別設有配置電路；驅動模塊的輸入是PWM控制模塊輸出的PWM，經過驅動模塊的兩級放大電路，再至推挽電路輸出到反激輸出模塊的輸入端。
5.根據權利要求1所述的一種高溫隔離電源裝置，所述的反激輸出模塊包括反激變壓器、開關管、輸出電容、二極管； 反激變壓器繞組比例是1:1，磁芯采用的是鐵硅鋁材質，開關管的柵極接驅動模塊的輸出，開關管的漏極接反激變壓器的初始線圈，源極接地，反激變壓器的副邊線圈的同名端連接至二極管的正極，二極管的負向端是輸出端點，同時也連接輸出電容和輸出負載；反激變壓器的副邊線圈的異名端接輸出電容和輸出負載的另一公共端，輸出電容的正向端連接誤差放大模塊的輸入端。
6.根據權利要求1所述的一種高溫隔離電源裝置，所述的光耦隔離模塊包括光耦隔離芯片、電阻、穩壓二極管、運算放大器； 反激輸出模塊的輸出電壓連接至兩個電阻的公共端，其中一個電阻的另一端接穩壓二極管，穩壓二極管的負向端同時連接至運算放大器的負向端，另一個電阻的另一端連接至一個電阻，這個電阻與穩壓二極管的正向端共同連接置地線，運算放大器的正向端連接至接地電阻的另一端；同時，運算放大器的輸出端連接至運算放大器的負向端；運算放大器的輸出接至光耦隔離芯片輸入端的正向端，光耦隔離芯片輸入端的負向端接地；光耦隔離芯片的輸出端接至PWM控制模塊； 光耦隔離芯片的輸入端接的是誤差放大模塊的輸出，光耦隔離芯片的輸出端接的是PWM控制模塊的輸入端。
【文檔編號】H02M1/092GK104242615SQ201410498505
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】史曉鋒, 王旋, 韋博, 宗艷波 申請人:北京航空航天大學